專利名稱：仿人機(jī)器人足球競賽實(shí)時仿真系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種計算機(jī)仿真技術(shù)領(lǐng)域的系統(tǒng)，尤其是一種仿人機(jī)器人足 球競賽實(shí)時仿真系統(tǒng)。
技術(shù)背景機(jī)器人學(xué)是一門高度交叉的綜合學(xué)科，廣泛涉及機(jī)械、電子、計算機(jī)、自動 控制、人工智能、仿生學(xué)等多個領(lǐng)域，其相應(yīng)的研究運(yùn)用領(lǐng)域也在不斷的拓寬。 其中仿人機(jī)器人代表著機(jī)器人研究領(lǐng)域的最高研究成果。研制出具備人類特征(如行走、感官、思維、判斷等能力)，在相當(dāng)程度上替代人類并服務(wù)于人類， 且能與人類和諧共處的高級智能機(jī)器人，一直是科研人員的一個奮斗目標(biāo)。為此， 國際上組織了各種機(jī)器人對抗賽事，有力推動機(jī)器人研究的發(fā)展。在研究過程中， 機(jī)器人研究人員將面臨機(jī)構(gòu)、傳感器信息融合、運(yùn)動控制和多機(jī)器人之間的協(xié)調(diào) 合作等問題，而機(jī)器人仿真平臺是多智能體系統(tǒng)的理想測試平臺。通過這個平臺， 測試各種理論、算法和智能體體系結(jié)構(gòu)，在實(shí)時異歩、有噪聲的對抗環(huán)境下，研 究多智能體之間的合作和對抗問題，并最終運(yùn)用到真實(shí)的機(jī)器人對抗中?，F(xiàn)有機(jī)器人競賽仿真系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，按照客戶端/服務(wù)器方式進(jìn)行。 在同一的服務(wù)器仿真平臺上，參賽隊(duì)編寫各自的客戶端程序，模擬實(shí)際足球隊(duì)員 進(jìn)行比賽。機(jī)器人競賽仿真系統(tǒng)有2D和3D兩種。2D仿真不能構(gòu)建實(shí)際物理模 型，只能對比賽流程進(jìn)行仿真，對真實(shí)環(huán)境的參考和機(jī)構(gòu)本體控制的改進(jìn)作用不 大。3D仿真克服了 2D仿真的不足，不但可以驗(yàn)證比賽流程的算法，還可以對機(jī) 構(gòu)本體的控制算法加以驗(yàn)證，并對機(jī)構(gòu)本體存在的缺陷加以改進(jìn)。3D仿真驗(yàn)證 而得的各種算法可以很方便的移植到真實(shí)機(jī)器人中，縮短機(jī)器人算法研究時間， 還可以通過對實(shí)際真實(shí)環(huán)境中難以模擬的各種狀況加以仿真分析，提高機(jī)器人在 真實(shí)環(huán)境中的可靠性。因此，開發(fā)一個幾近真實(shí)的3D實(shí)時仿真系統(tǒng)對仿人機(jī)器 人的發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國發(fā)明專利(申請?zhí)?00710044707. 2):海底管道檢測機(jī)器人仿真系統(tǒng)，它包括爬行器仿真模塊、電池監(jiān)控及里程計仿真 模塊、檢測仿真模塊和定位仿真模塊，各模塊都是接受來自實(shí)際機(jī)器人智能控制 器的指令，進(jìn)行仿真計算，真實(shí)反映系統(tǒng)運(yùn)行功能和性能，以供研制過程中進(jìn)行 調(diào)試，以及功能測試。但是由于仿真的對象與本發(fā)明完全不同，兩套仿真系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)、原理、功能也是完全不同的。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種更加真實(shí)的仿人機(jī)器人足 球競賽實(shí)時仿真系統(tǒng)，使其能夠更加方便地模擬各種機(jī)器人運(yùn)行狀況，更好地測 試各種理論、算法和仿人機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)，更方便地移植到現(xiàn)有機(jī)器人控制策略 及系統(tǒng)改進(jìn)上。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括客戶端、服務(wù)器、監(jiān)控模塊 和信息交互模塊?？蛻舳松显O(shè)有三個仿人機(jī)器人模塊，每個仿人機(jī)器人模塊通過 信息交互模塊的解析從服務(wù)器上獲取現(xiàn)場信息，重構(gòu)現(xiàn)場比賽環(huán)境模型，分析當(dāng) 前環(huán)境，生成決策信息，再通過信息交互模塊合成規(guī)范指令發(fā)送到服務(wù)器中，以 進(jìn)行兩隊(duì)間的比賽。監(jiān)控模塊實(shí)時顯示兩隊(duì)間的比賽狀況。上述四個模塊組建了 一個3對3仿人機(jī)器人足球競賽3D實(shí)時仿真系統(tǒng)，并在此系統(tǒng)上進(jìn)行各種理論、 算法和控制的測試。所述的仿人機(jī)器人模塊，包括解釋模塊、世界模型構(gòu)建模塊、決策模塊和行 為解析模塊。解釋模塊從服務(wù)器上獲取現(xiàn)場信息，對現(xiàn)場信息進(jìn)行解釋，得到球 員的位姿和環(huán)境信息，世界模型構(gòu)建模塊根據(jù)所得信息重新構(gòu)建現(xiàn)場比賽環(huán)境模 型(即世界模型)，然后通過決策模塊的決策思維生成球員的具體行為策略，經(jīng) 過行為解析模塊轉(zhuǎn)化成各種基本行為的組合，再整合成相應(yīng)控制代碼輸送給服務(wù) 器，以實(shí)現(xiàn)仿人機(jī)器人模塊之間的對抗。所述的服務(wù)器，包括仿人機(jī)器人3D仿真模塊、球場環(huán)境仿真模塊、剛體動 力學(xué)仿真模塊、裁判模塊、信息融合模塊和顯示接口模塊。仿人機(jī)器人3D仿真 模塊根據(jù)信息交互模塊提供的決策信息進(jìn)行相應(yīng)的仿人機(jī)器人3D行為仿真，并 在球場環(huán)境仿真模塊中進(jìn)行動力學(xué)仿真；剛體動力學(xué)仿真模塊根據(jù)仿人機(jī)器人 3D仿真模塊的仿真行為及球場環(huán)境仿真模塊提供的球場環(huán)境信息執(zhí)行基于0DE (開源物理引擎)的剛體動力學(xué)仿真，從而生成位姿信息及碰撞檢測信息，傳送到信息融合模塊；裁判模塊按照標(biāo)準(zhǔn)賽事規(guī)則安排競賽進(jìn)程，并對各種違規(guī)行為 做出相應(yīng)的裁決，再將所得的裁決信息傳送給信息融合模塊；信息融合模塊將位 姿信息、碰撞檢測信息和裁決信息進(jìn)行整合，將整合而成的信息幀發(fā)送到信息交 互模塊；顯示接口模塊將服務(wù)器上的競賽過程實(shí)時地輸送到監(jiān)控模塊中。所述的信息交互模塊包括通訊模塊和解析模塊。 一方面，通訊模塊從服務(wù)器 上獲取現(xiàn)場信息傳送給解析模塊，解析模塊對信息進(jìn)行分析和提取，把有用信息 傳送給客戶端；另一方面，解析模塊將客戶端的決策信息整合成規(guī)范指令傳給通 訊模塊，并由通訊模塊發(fā)送給服務(wù)器。模塊通訊采用UDP/IP協(xié)議，以滿足實(shí)時 性的要求，并設(shè)置相應(yīng)的檢測機(jī)制保證信息的可靠性。每個客戶端啟動3個仿人 機(jī)器人模塊進(jìn)程，每個進(jìn)程由兩個線程組成 一個是I/0處理線程， 一個是關(guān)鍵 決策線程。每個仿真周期，仿人機(jī)器人模塊通過I/O處理線程從服務(wù)器上獲取現(xiàn) 場信息，進(jìn)行決策處理，再在規(guī)定時間內(nèi)通過關(guān)鍵決策線程發(fā)送到服務(wù)器上，實(shí) 現(xiàn)3對3的仿人機(jī)器人足球競賽。所述的監(jiān)控模塊就是一個監(jiān)視器，實(shí)時顯示比賽過程，也可以重放服務(wù)器自 動產(chǎn)生的日記文件，給各種理論、算法的測試提供直觀依據(jù)，并可記錄和評價每 個仿人機(jī)器人模塊的行為，為進(jìn)一步改進(jìn)提供現(xiàn)實(shí)參考。與現(xiàn)有技術(shù)對比，本發(fā)明在使用中替代實(shí)際的仿人機(jī)器人實(shí)現(xiàn)3對3仿人機(jī) 器人足球競賽，通過3對3仿人機(jī)器人足球競賽的實(shí)時仿真，有效地驗(yàn)證了各種 理論、算法和仿人機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)?；贠DE的動力學(xué)仿真真實(shí)地模擬實(shí)際仿 人機(jī)器人的各種碰撞行為，有效地降低仿人機(jī)器人控制理論及算法的研究成本并 同時縮短了研究時間，提高效率。驗(yàn)證成功的理論、算法和改進(jìn)后的體系結(jié)構(gòu)很 容易移植到現(xiàn)實(shí)仿人機(jī)器人中，極大地推動仿人機(jī)器人的發(fā)展。


圖1本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 圖2本發(fā)明系統(tǒng)設(shè)計原理圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù) 范圍不限于下述的實(shí)施例。如圖1所示，本實(shí)施例包括仿客戶端、服務(wù)器、監(jiān)控模塊和信息交互模塊。 每臺客戶端上運(yùn)行三個仿人機(jī)器人模塊進(jìn)程，客戶端以UDP/IP的通訊協(xié)議通過 信息交互模塊與服務(wù)器端相連，服務(wù)器上的比賽過程通過監(jiān)控模塊實(shí)時顯示。各 模塊具體的架構(gòu)如圖2所示。1、 客戶端，每個客戶端包括三個仿人機(jī)器人模塊，該模塊從服務(wù)器中獲取 現(xiàn)場信息，進(jìn)行相應(yīng)處理，再把決策信息發(fā)送給服務(wù)器，完成機(jī)器人足球競賽過 程。仿人機(jī)器人模塊由解釋模塊、世界模型構(gòu)建模塊、決策模塊、行為解析模塊 構(gòu)成。a) 解釋模塊從信息交互模塊中獲取現(xiàn)場信息，然后對信息進(jìn)行解釋，得到球 員的位姿和環(huán)境信息，再送到世界模型構(gòu)建模塊中。b) 世界模型構(gòu)建模塊根據(jù)解釋模塊送來的位姿和環(huán)境信息重構(gòu)世界模型，再 輸送給決策模塊做相應(yīng)的控制策略。c) 決策模塊在重構(gòu)的世界模型中執(zhí)行相應(yīng)的控制算法，在規(guī)定時間內(nèi)選取最 優(yōu)的控制決策發(fā)送到行為解析模塊中。d) 行為解析模塊將控制決策轉(zhuǎn)化成各種基本動作的組合，再整合相應(yīng)的控制 信息代碼，發(fā)送到信息交互模塊中。2、 服務(wù)器，服務(wù)器采用基于多智能體的分布式仿真中間件系統(tǒng)SPADES(并 行智能體離散事件仿真系統(tǒng))作為多計算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行仿真的通用平臺，在該平臺 上實(shí)現(xiàn)多計算機(jī)系統(tǒng)和多智能體之間的連接。該模塊根據(jù)客戶端的決策信息對仿 人機(jī)器人足球競賽進(jìn)行實(shí)時3D仿真。該模塊包括仿人機(jī)器人3D仿真模塊、球場 環(huán)境仿真模塊、基于ODE的剛體動力學(xué)仿真模塊、裁判模塊、信息融合模塊和顯 示接口模塊。a) 機(jī)器人3D仿真模塊，建立的仿人機(jī)器人模型身高約0.5 0.6米，具有 20 23個自由度，利用CAD工具進(jìn)行相應(yīng)的3D建模，再將模型導(dǎo)入Java 3D的 仿真環(huán)境中。該模塊根據(jù)信息交互模塊傳送來的決策信息實(shí)時仿真仿人機(jī)器人的 各種行為。b) 球場環(huán)境仿真模塊，該模塊提供各種球場信息，包括球場長、寬和各種場 地地標(biāo)，是仿人機(jī)器人行為的外部客觀環(huán)境。c) 剛體動力學(xué)仿真模塊，該模塊根據(jù)仿人機(jī)器人3D仿真模塊的仿真行為及球場環(huán)境信息執(zhí)行基于ODE的剛體動力學(xué)仿真，從而生成位姿信息及碰撞檢測信 息，傳送到信息融合模塊。d) 裁判模塊，該模塊按照標(biāo)準(zhǔn)賽事規(guī)則安排競賽進(jìn)程，并對各種違規(guī)行為 做出相應(yīng)的裁決，再將所得的裁決信息傳送給信息融合模塊。e) 信息融合模塊，該模塊將位姿信息、碰撞檢測信息和裁決信息進(jìn)行整合， 將整合而成的信息幀發(fā)送到信息交互模塊。f) 顯示接口模塊，該模塊將服務(wù)器上的競賽過程實(shí)時地輸送到監(jiān)控模塊中。3、 信息交互模塊，該模塊采用UDP/IP協(xié)議，.實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器之間多進(jìn) 程、多線程的實(shí)時通訊。該模塊包括通訊模塊和解析模塊。a) 通訊模塊，該模塊包括信息接收單元和信息發(fā)送單元。該模塊從服務(wù)器中 接收現(xiàn)場信息，再送到解析模塊做進(jìn)一步處理；該模塊將解析模塊合成后決策信 息發(fā)送給服務(wù)器。b) 解析模塊，該模塊包括信息合成單元和信息解析單元。信息合成單元將客 戶端的決策信息合成規(guī)定格式的信息幀，傳給信息發(fā)送單元；信息解析單元從通 訊模塊傳來的現(xiàn)場信息中提取有用信息傳送給客戶端做決策。4、 監(jiān)控模塊，該模塊從服務(wù)器中獲取圖像信息，實(shí)時顯示比賽過程；該模 塊可以重放服務(wù)器自動產(chǎn)生的日記文件，給各種理論、算法的測試提供直觀依據(jù)， 并記錄和評價每個仿人機(jī)器人模塊的行為，給進(jìn)一歩改進(jìn)提供現(xiàn)實(shí)參考。在本實(shí)施例中，兩臺客戶端分別運(yùn)行三個仿人機(jī)器人模塊進(jìn)程，每個仿人機(jī) 器人通過UDP/IP協(xié)議與服務(wù)器進(jìn)行現(xiàn)場信息與決策信息的交互。服務(wù)器根據(jù)客 戶端提供的決策信息，按照標(biāo)準(zhǔn)賽事規(guī)則，實(shí)時仿真比賽進(jìn)程，并將現(xiàn)場信息發(fā) 給客戶端。同時比賽過程通過顯示接口模塊在顯示器中實(shí)時顯示。
權(quán)利要求
1、一種仿人機(jī)器人足球競賽實(shí)時仿真系統(tǒng)，其特征在于，包括四個模塊客戶端、服務(wù)器、監(jiān)控模塊和信息交互模塊，所述客戶端上設(shè)有三個仿人機(jī)器人模塊，每個仿人機(jī)器人模塊通過信息交互模塊的解析從服務(wù)器上獲取現(xiàn)場信息，重構(gòu)現(xiàn)場比賽環(huán)境模型，分析當(dāng)前環(huán)境，生成決策信息，再通過信息交互模塊合成規(guī)范指令發(fā)送到服務(wù)器中，以進(jìn)行兩隊(duì)間的比賽，監(jiān)控模塊實(shí)時顯示兩隊(duì)間的比賽狀況，從而組建了一個3對3仿人機(jī)器人足球競賽3D實(shí)時仿真系統(tǒng)。
2、 如權(quán)利要求1所述的仿人機(jī)器人足球競賽實(shí)時仿真系統(tǒng)，其特征是，所 述的仿人機(jī)器人模塊，包括解釋模塊、世界模型構(gòu)建模塊、決策模塊和行為解析 模塊。解釋模塊從服務(wù)器上獲取現(xiàn)場信息，對現(xiàn)場信息進(jìn)行解釋，得到球員的位 姿和環(huán)境信息，世界模型構(gòu)建模塊根據(jù)所得信息重新構(gòu)建現(xiàn)場比賽環(huán)境模型，然 后通過決策模塊的決策思維生成球員的具體行為策略，經(jīng)過行為解析模塊轉(zhuǎn)化成 各種基本行為的組合，再整合成相應(yīng)控制代碼輸送給服務(wù)器，以實(shí)現(xiàn)仿人機(jī)器人 模塊之間的對抗。
3、 如權(quán)利要求1所述的仿人機(jī)器人足球競賽實(shí)時仿真系統(tǒng)，其特征是，所 述的服務(wù)器，包括仿人機(jī)器人3D仿真模塊、球場環(huán)境仿真模塊、剛體動力學(xué)仿 真模塊、裁判模塊、信息融合模塊和顯示接口模塊，其中仿人機(jī)器人3D仿真 模塊根據(jù)信息交互模塊提供的決策信息進(jìn)行相應(yīng)的仿人機(jī)器人3D行為仿真，并 在球場環(huán)境仿真模塊中進(jìn)行動力學(xué)仿真；剛體動力學(xué)仿真模塊根據(jù)仿人機(jī)器人 3D仿真模塊的仿真行為及球場環(huán)境仿真模塊提供的球場環(huán)境信息執(zhí)行基于開源 物理引擎的剛體動力學(xué)仿真，從而生成位姿信息及碰撞檢測信息，傳送到信息融 合模塊；裁判模塊按照標(biāo)準(zhǔn)賽事規(guī)則安排競賽進(jìn)程，并對各種違規(guī)行為做出相應(yīng) 的裁決，再將所得的裁決信息傳送給信息融合模塊；信息融合模塊將位姿信息、 碰撞檢測信息和裁決信息進(jìn)行整合，將整合而成的信息幀發(fā)送到信息交互模塊； 顯示接口模塊將服務(wù)器上的競賽過程實(shí)時地輸送到監(jiān)控模塊中。
4、 如權(quán)利要求1或3所述的仿人機(jī)器人足球競賽實(shí)時仿真系統(tǒng)，其特征是， 所述的監(jiān)控模塊就是一個監(jiān)視器，實(shí)時顯示比賽過程，也能重放服務(wù)器自動產(chǎn)生 的閂記文件，給各種理論、算法的測試提供直觀依據(jù)，并能記錄和評價每個仿人機(jī)器人模塊的行為，為進(jìn)一步改進(jìn)提供現(xiàn)實(shí)參考。
5、 如權(quán)利要求1所述的仿人機(jī)器人足球競賽實(shí)時仿真系統(tǒng)，其特征是，所 述的信息交互模塊包括通訊模塊和解析模塊， 一方面，通訊模塊從服務(wù)器上獲取 現(xiàn)場信息傳送給解析模塊，解析模塊對信息進(jìn)行分析和提取，把有用信息傳送給 客戶端；另一方面，解析模塊將客戶端的決策信息整合成規(guī)范指令傳給通訊模塊， 并由通訊模塊發(fā)送給服務(wù)器。
6、 如權(quán)利要求1或5所述的仿人機(jī)器人足球競賽實(shí)時仿真系統(tǒng)，其特征是， 信息交互模塊，其模塊通訊采用UDP/IP協(xié)議，并設(shè)置檢測機(jī)制保證信息的可靠 性，每個客戶端啟動3個仿人機(jī)器人模塊進(jìn)程，每個進(jìn)程由兩個線程組成 一個 是I/0處理線程， 一個是關(guān)鍵決策線程，每個仿真周期中，仿人機(jī)器人模塊通過 1/0處理線程從服務(wù)器上獲取現(xiàn)場信息，進(jìn)行決策處理，再在規(guī)定時間內(nèi)通過關(guān) 鍵決策線程發(fā)送到服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)3對3的仿人機(jī)器人足球競賽。
7、 如權(quán)利要求1或2或3或5所述的仿人機(jī)器人足球競賽實(shí)時仿真系統(tǒng)， 其特征是，所述的服務(wù)器，其開發(fā)平臺是基于Limix操作系統(tǒng)，采用基于智能體 的分布式仿真中間件系統(tǒng)SPADES作為多計算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行仿真的通用平臺。
全文摘要
本發(fā)明公開一種計算機(jī)仿真技術(shù)領(lǐng)域的仿人機(jī)器人足球競賽實(shí)時仿真系統(tǒng)，包括四個模塊客戶端、服務(wù)器、監(jiān)控模塊和信息交互模塊，所述客戶端上設(shè)有三個仿人機(jī)器人模塊，每個仿人機(jī)器人模塊通過信息交互模塊的解析從服務(wù)器上獲取現(xiàn)場信息，重構(gòu)現(xiàn)場比賽環(huán)境模型，分析當(dāng)前環(huán)境，生成決策信息，再通過信息交互模塊合成規(guī)范指令發(fā)送到服務(wù)器中，以進(jìn)行兩隊(duì)間的比賽，監(jiān)控模塊實(shí)時顯示兩隊(duì)間的比賽狀況，上述四個模塊組建了一個3對3仿人機(jī)器人足球競賽3D實(shí)時仿真系統(tǒng)。本發(fā)明真實(shí)反映仿人機(jī)器人足球競賽過程，為改善各種理論、算法和仿人機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)提供很好的測試平臺。
文檔編號A63F13/12GK101254347SQ20081003483
公開日2008年9月3日 申請日期2008年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月20日
發(fā)明者莊 付, 趙言正, 靚 鄒, 陳祖盼 申請人:上海交通大學(xué)